tài liệu về các ứng dụng công nghiệp quan trọng của vi sinh vật
182 Chương 9 Các sản phẩm chuyển hóa Một trong những phát hiện có ý nghĩa quan trọng của vi sinh vật học công nghiệp là việc nhận thức được rằng vi sinh vật có thể được sử dụng để thực hiện các phản ứng hoá học đặc biệt vượt ra ngoài khả năng của hoá học hữụ cơ. Quá trình sử dụng vi sinh vật cho mục đích này có tên là sự chuyển hoá sinh học, nó bao gồm sự sinh trưởng của vi sinh vật trong những nỗi lên men lớn theo sau là sự bổ sung hoá chất cần được chuyển hoá tại một thời điểm thích hợp. Tiếp tục lên men thêm một thời gian nữa để vỉ sinh vật tác động lên hoá chất rồi tách chiết dịch lên men, và cuối cùng sản phẩm mong muốn được tinh khiết. Mặc dù về ngnyên lý chuyển hoá sinh học có thể được sử dụng cho nhiều quá trình khác nhau song trong thực tế nó chỉ được ứng dụng để sản xuất một số hormone nhất định. I. Sự chuyển hóa các steroid Việc sử dụng vi sinh vật để thực hiện những sự chuyển hoá steroid có ý nghĩa rất lớn trong công nghiệp dược phẩm. Steroid hormones điều chỉnh những trạng thái trao đổi chất khác nhau ở động vật kể cả ở người. Một trong những hormone đó, cortisone, có tác dụng làm giảm cơn đau có liên quan đến bệnh viêm khớp. Các dẫn xuất cortisone khác làm dịu các triệu chứng liên quan đến các bệnh dị ứng hoặc viêm. Nhiều loại steroid hormones điều chỉnh hoạt động giới tính ở người trong đó một số đã được sản xuất thành dạng thuôc uống để tránh thụ thai. Các đặc tính sinh lý của một steroid phụ thuộc vào bản chất và vị trí chính xác của các thành phần hoá học nằm trên cấu trúc vòng của steroid gốc. Vào đầu những năm 1930, Kendall ở Trường Đại học Tổng hợp Basel đã tách được cortisone, một steroid do tuyến thượng thận tiết ra. Khoảng một thập kỷ sau Hench chỉ ra rằng việc uống cortisone có thể làm dịu cơn đau ở các bênh nhân bị bệnh viêm khớp. Nhu cầu thực tế của hormone trở nên cấp bách và các phương pháp hoá tổng hợp steroid được phát triển vì thị trường tiềm tàng là rất lớn. Tuy nhiên, hoá tổng hợp khá phức tạp yêu cầu tới 37 bước trong đó nhiều bước xảy ra dưới các điều kiện cực trị. Cortisone tổng hợp được theo con đường này trị giá 200 đôla một gam. 183 Một trong những điều phức tạp chủ yếu gặp trong hoá tổng hợp cortisone là việc phải đưa một nguyên tử oxygen vào một vị trí trong cấu trúc steroid 4 vòng được gọi là vị trí 11; đây là bước quyết định trong việc tạo nên hoạt tính sinh lý của phân tử. Vào năm 1952, Peterson và Murray thuộc hãng Upjohn đã phát hiện ra rằng nấm mốc mọc trên bánh mì Rhizopus arrhizus có khả năng hydroxyl hoá progesterone, một steroid khác, bằng cách đó đưa một nguyên tử oxygen vào vị trí 11. Progesterone là một tiền chất trong hoá tổng hợp cortisone, và bằng phương pháp hydroxyl hoá nhờ vi sinh vật (trong công nghiệp thường dùng các chủng họ hàng với R. arrhizus) việc tổng hợp đã được rút ngắn từ 37 xuống 11 bước. Nhờ vậy giá thành giảm xuống còn 6 đôla một gam. Sự hydroxyl hoá progesterone mang lại hiệu quả kinh tế do đã rút ngắn được sự tổng hợp hoá học. Sự lên men có thể thực hiện ở 30oC với nước là dung môi và ở áp suất của khí quyển. Các phản ứng dưới các điều kiện này rẻ hơn nhiều so với các phản ứng diễn ra dưới các điều kiện cực trị về nhiệt độ và áp suất và dung môi không phải là nước như trong hoá tổng hợp cortisone. Đến nay đã có một số quá trình khác ứng dụng vi sinh vật để tổng hợp công nghiệp các steroid. Nấm Cunninghamella blakesleana cũng có khả năng hydroxyl hoá steroid cortesolon để tạo thành hydrocortisone nhờ việc gắn oxygen vào vị trí số 11. Những sự chuyển hoá nhân steroid khác do vi sinh vật thực hiện bao gồm sự hydro hoá, sự loại hydro, sự epoxygent hoá, và sự loại hoặc thêm các chuỗi bên (hình 9.1). Các steroid ít có ý nghĩa thương mại là các cocticosteroid như cortisone, hydrocortisone (hình 9.2, hình 9.3), prednison và dexametazon, kích tố tính đực testosteron và hormone động dục estrađiol (hai loại sau dùng cho các loại thuốc tránh thụ thai) và spironolacton (thuốc lợi tiểu). Nguyên liệu dùng cho tất cả các quá trình trên là các loại rượu phức tạp có tên là các sterol. Có hai nguồn sterol thông thường : Sản xuất dầu đậu tương để lại một chất thải giàu stigmasterol và sitosterol; rễ của cây barbasco ở Mêhicô chứa diosgenin. Ngoài ra, có thể sử dụng ergosterin lấy từ nấm men hoặc các steroid sản xuất thuần tuý bằng con đường tổng hợp. Nhiều vi sinh vật có khả năng thực hiền các phản ứng chuyển hoá steroid. Tuy nhiên điều quan trọng là chúng có thể tiến hành phản ứng với tốc độ chuyển hoá cao, hiệu suất lớn và không tạo thành sản phẩm phụ hay không. Do yêu cầu này mà số chủng có thể sử dụng cho công nghiệp bị 184 thu hẹp lại rất nhiều. Để hydroxyl hóa người ta sử dụng xạ khuẩn và nấm (đặc biệt là Fusarium và các loài Curvularia). Để hydroxyl hoá vị trí 11-a của progesterone, thay cho hệ sợi nấm người ta dùng bào tử trần của Aspergillus olivaceus. Việc hydro hoá được tiến hành với các loài Saccharomyces, Streptomyces và Rhizopus. Để loại hydro người ta dùng các vi khuẩn như Corynebacterium và nấm (Fusarium, Calonectria, Cylindrocarpon) còn để cắt vòng có thể dùng Penicillium chrysogenum hay Pseudomonas testosteroni chứa một steroidizomerase đặc hiệu. Trong một quá trình chuyển hoá steroid điển hình, vi sinh vật trước hết được đưa vào một môi trường thích hợp không chứa steroid. Người ta thường sử dụng các nồi lên men nhỏ (10-50m3). Thường vào cuối pha sinh trưởng logarit thì steroid mới được đưa vào với nồng độ 0,05-0,1%. Vì các steroid tan yếu trong nước nên người ta dùng các dung môi hữu cơ hoà tan được trong nước (như methanol, propylenglycol, dimetylsulfoxygent) làm chất hoà tan trung gian. Thời gian chuyển hoá kéo dài từ 6 đến 48 giờ, thông thường thì quá trình được kết thúc sau 20 giờ bằng cách tách tế bào và chiết sản phẩm. Hiệu suất đạt được là 60-95%. Các sản phẩm của phản ứng nằm bên ngoài tế bào. Việc theo dõi phân tích sự chuyển hoá để xác định thời gian lên men cực thích giữ vai trò rất quan trọng, vì nếu vượt ra ngoài thời gian đó sẽ xảy ra các phản ứng kế tiếp không mong muốn. Nếu khống chế tốt thì có thể tiến hành hai phản ứng chuyển hoá mong muốn kế tiếp nhau trong cùng một nồi lên men. Chẳng hạn 6α-fluo-21-acetoxygen-16α-methyl-4-pregnen-3,20-đion trước hết được hydroxyl hoá ở vị trí 11α nhờ Aspergillus ochraceus và sau đó cũng trong môi trường ấy nhờ bổ sung Bacillus lentus mà lại được loại hydro ở vị trí 1,2. Vào năm 1980 giá cortisone ở Mỹ đã chỉ còn 46 cent một gam, rẻ hơn 400 lần so với giá ban đầu. Việc tìm được các ứng dụng khác của các steroid (dùng cho tránh thụ thai, bệnh thiếu hormone, các bệnh về da, viêm và dị ứng) cùng với tính hiệu quả cao của phương pháp sản xuất đã tạo ra một nhu cầu cấp thiết đối với các loại dược phẩm này. Doanh thu 4 loại steroid chính (cortisone, aldosteron, prednison và prednisolon) trên thị trường thế giới vào năm 1987 là 300 triệu đô la. 185 Hình 9.1: Sản xuất steroid bằng các biện pháp hoá học kết hợp với sự chuyển hoá vi sinh vật 186 Acid Deoxycolic Cortisone Hình 9.2: Coctisone được tổng hợp từ deoxycolic acide Hình 9.3: Sự sản xuất 11 α-hydroxyprogesterone và hydrocortisone 187 II. Sự tạo thành phenyl-axetylcacbinol, tiền chất của epheđrin Epheđrin là một alcaloit có trong cây Ephedra vulgaris. Giống như ađrenalin, nó có tác dụng làm tăng huyết áp và được dùng làm thuốc để điều trị các bệnh suy nhược tuần hoàn, hen, viêm phế quản v.v. Cấu tạo hoá học của nó như sau : Tách chất này từ thực vật là một công việc tốn kém. Hoá tổng hợp nó cũng khó thực hiện bởi vì do hai nguyên tử C không đối xứng của phân tử mà xuất hiện bốn đồng phân lập thể trong đó chỉ có dạng L là có dược tính. Nhờ Saccharomyces cerevisiae mà benzaldehyde có thể được chuyển hoá thành phenyl-axetylcacbinol, tiền chất của epheđrin, với hiệu suất 50-60% khi được bổ sung vào môi trường chứa một nồng độ tế bào là 0,8- 1% . Trong sản phẩm chuyển hoá này, nhóm hydroxyl nằm ở cùng vị trí như trong L-ephedrin. Trong phản ứng này, các tế bào nấm men gắn "acetalđehyde hoạt động" được tạo thành trong sự đường phân vào benzalđehyde vừa bổ sung vào môi trường (phản ứng cacboligase): Benzaldehyde ''Acetaldehyde hoạt động'' L-phenyl-acetylcacbinol Sau đó phenyl-acetylcacbinol được chuyển thành L-epheđrin bằng con đường hoá học nhờ một sự kết hợp hydro amin hoá. III. Sản phẩm từ vi khuẩn acetic Trong sự oxygen hoá ethanol thành acid acetic, chuyển hoá thực chất là một sự sử dụng cơ chất. ở đây, NADPH2 xuất hiện được chuyển qua chuỗi hô hấp để thu nhận năng lượng, song cơ chất không bị phân giải 188 hoàn toàn do vậy quá trình cũng còn được gọi là sự oxygen hoá không hoàn toàn. Loại chuyển hoá này có thể trải qua nhiều bước. Các đại diện của vi khuẩn acetic (Acetobacter, Gluconobacter) oxygen hoá không chỉ ethanol mà cả một phổ rộng các rượu bậc một và rượu bậc hai cũng như các polyol. Các loài vi khuẩn mà sản phẩm của chúng được giữ lại được gọi là các loai oxygen hoá thấp (suboxygendant). Thuộc về nhóm này có vi khuẩn acetic dùng trong công nghiệp là Acetobacter suboxygendans. Các loài chỉ tích luỹ acid acetic tạm thời sau đó lại oxygen hoá tiếp được xếp vào nhóm oxygen hoá cao (peroxygendant), chẳng hạn Acetobacter peroxygendans, Acetobacter pasteurianum). Giữa hai nhóm này có các dạng chuyển tiếp. 1. Sản xuất dấm ăn Các phản ứng được dùng để sản xuất dấm ăn nhờ Acetobacter suboxygendans là : CH3 CH2 OH ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯− asedehydrogenalcohol→ CH3 − CHO + 2H Sau sự hydrat hoá axetaldehyde sẽ diễn ra một sự loại hydro lần thứ hai : Hydro được NADP nhận và qua các xitocrom được chuyển đến O2 là chất nhận điện tử cuối cùng. Sự tạo thành acid acetic đồi hỏi cung cấp oxygen mạnh. Khi thông khí không đầy đủ có thể xảy ra sự hoá hai của axetaldehyde thành acid acetic và ethanol theo phương trình sau đây (phản ứng Canizzaro) : Ethanol lại đi vào phản ứng thứ nhất và cuối cùng cũng được oxygen hoá thành acid acetic. Ethanol hoặc acid acetic không thể được dùng làm nguồn cacbon duy nhất vì người ta không tìm thấy các enzyme cần thiết của chu trình glyoxylate ở Acetobacter xylinum. Vì vậy để sinh trưởng vi khuẩn cần được bổ sung các nguồn C khác như glucose. 189 Sự cung cấp oxygen có tính chất quyết định đến kỹ thuật sản xuất dấm. Trước kia quá trình được tiến hành bằng phương pháp nuôi bề mặt nhờ một lớp váng của Acetobacter xylinum (phương pháp Orléans), trong đó vi khuẩn được cố định trên các vỏ bào gỗ giẻ. Vỏ bào đựng trong một thùng gỗ hình trụ (generator) được thông khí từ phía dưới và tưới các dung dịch chứa rượu (ví dụ các loại rượu vang kém phẩm chất) từ phía trên (hình 9.4). Ngày nay các phương pháp chìm ngày càng có ý nghĩa hơn. Hiện tại người ta dùng các nồi lên men đặc biệt (acetator) được thông khí rất mạnh trong đó dịch dinh dưỡng được thay thế từng phần bằng dịch dinh dưỡng bổ sung cũng đã được thông khí đầy đủ. Sau khi ethanol đã được chuyển hoá thành acid acetic, phần lớn dịch dinh dưỡng trong nồi được lấy đi và thay thế vào đó là dịch dinh dưỡng mới. Nhờ đó có thể đạt được một phương thức giống như nuôi cấy liên tục. Quá trình lên men được tiến hành nhờ các chủng chọn lọc của Acetobacter suboxygendans trong một dịch dinh dưỡng chứa glucose với 10-12% ethanol. Ethanol gần như được chuyển toàn bộ thành acid acetic. Nồng độ acid acetic cao nhất đã đạt được là 13%. Quá trình diễn ra ở 28-30oC và kéo dài khoảng 48 giờ. Trong phương pháp cổ điển Orléans, sự lên men kéo dài tới 5 tuần lễ. Trong các phương pháp hiện đại với nồng độ rượu hoặc acid acetic cao là 12%, thì một sự ngừng thông khí từ 10 đến 20 giây sẽ làm chết tới một phần ba số vi khuẩn. ở những nồng độ cơ chất thấp hơn, sự phụ thuộc vào oxygen không đến nỗi khắt khe tới như vậy. Vi sinh vật oxygen hóa ethanol thành acid acetic thường được gọi là các vi khuẩn acetic, các vi khuẩn này thực hiện trao đổi chất ở pH môi trường thấp, điều này phân biệt chúng với các vi khuẩn khác. Các vi khuẩn acid acetic là bọn đa hình, tế bào từ hình elip tới hình que thẳng hoặc hơi cong 0,5-0,8 × 0,9-4,2 μm, đứng một mình, thành cặp hoặc thành chuỗi có dạng không chuyển động và dạng chuyển động với tiên mao ở cực hoặc vòng quanh cơ thể. Chúng là bọn hiếu khí bắt buộc, một số tạo thành sắc tố, một số tạo thành cellulose. Người đầu tiên tìm cách phân loại các vi khuẩn acid acetic là Hansen (1894). Ngày nay các vi khuẩn acid acetic mới phân lập được xếp vào hai chi chính, Acetobacter, Gluconobacter. Các loài của Acetobacter (trên 60) chứa 5 đặc điểm: có mặt catalase, oxygen hóa ethanol qua acid acetic tới CO2 và H2O, oxygen hóa lactate thành cacbonate, oxygen hoá glycerol 190 thành DHP và sự sản sinh acid gluconic từ glucose. Các vi khuẩn trong chi Acetobacter thường được chia thành bốn nhóm : oxygen hoá mạnh, oxygen hoá, oxygen hoá trung bình và oxygen hoá yếu. Hình 9.4: Thiết bị sản xuất dấm theo phương pháp cổ điển IV. Sản xuất vitamin C ( acid L-ascocbic ) Đa số động vật tổng hợp được toàn bộ lượng vitamin C cần thiết cho nhu cầu của mình và do vậy vitamin này được tìm thấy trong các mô của chúng (chủ yếu trong gan và thận với nồng độ 10-40 mg/100g). Tuy nhiên, người và một số động vật có xương sống cũng như côn trùng lại phụ thuộc hoàn toàn vàọ nguồn vitamin C từ bên ngoài. Chủ yếu là rau (bắp cải, spinat, cà chua, 30-150 mg/100g) và quả (cam, chanh, 40-50mg/100g).đã cung cấp cho con người lượng vitamin C cần thiết (45-70 mg/ngày). 191 Một số vi sinh vật (nấm, nấm men, tảo) sản sinh một lượng rất nhỏ acid L-ascocbic cần cho các quá trình trao đổi chất của chúng. Cho đến nay chưa tìm thấy acid ascorbic ở vi khuẩn, hình như chúng không cần acid này. Ở động vật có vú (trừ bọn linh trưởng và một số khác) acid L-ascorbic được tổng hợp từ D-glucose trong đó C1 của glucose trở thành C6 của acid ascorbic và ngược lại. Sự tổng hợp diễn ra từ D-glucose tới acid D-glucuronic và sau đó thành lacton của acid L-gulonic. Sự oxy hoá sau đó của gulonolacton ở vị trí C2, được xúc tác bằng L-gulonolacton dehydrogenase, một enzyme không tìm thấy ở người, theo sau là sự enol hóa sẽ cho acid L-ascorbic (hình 9.5). ở thực vật, acid L-ascorbic được tạo thành từ D-glucose hay D-galactose qua một số con đường chuyển hóa. Một trong những con đường này giữ không làm cho trật tự của chuỗi cacbon bị thay đổi, song các sản phẩm trung gian của con đường sinh tổng hợp thì còn chưa biết rõ. Có thể con đường này cũng giống con đường tổng hợp ở động vật. Hình 9.5: Con đường sinh tổng hợp acid L-ascocbic Từ trên 50 năm nay, công nghiệp đã có thể đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về vitamin C của con người nhờ phương pháp bán tổng hợp từ glucose. Nhiều quá trình hoá học và sinh hóa kế tiếp nhau tham gia vào quá trình này và tất cả đều qua một sản phẩm trung gian là acid 2-keto-L- [...]... xylinum. Vì vậy để sinh trưởng vi khuẩn cần được bổ sung các nguồn C khác như glucose. 182 Chương 9 Các sản phẩm chuyển hóa Một trong những phát hiện có ý nghĩa quan trọng của vi sinh vật học công nghiệp là vi c nhận thức được rằng vi sinh vật có thể được sử dụng để thực hiện các phản ứng hoá học đặc biệt vượt ra ngồi khả năng của hố học hữụ cơ. Quá trình sử dụng vi sinh vật cho mục đích... đến 20 giây sẽ làm chết tới một phần ba số vi khuẩn. ở những nồng độ cơ chất thấp hơn, sự phụ thuộc vào oxygen không đến nỗi khắt khe tới như vậy. Vi sinh vật oxygen hóa ethanol thành acid acetic thường được gọi là các vi khuẩn acetic, các vi khuẩn này thực hiện trao đổi chất ở pH môi trường thấp, điều này phân biệt chúng với các vi khuẩn khác. Các vi khuẩn acid acetic là bọn đa hình, tế bào... hãng Genetech vào năm 198 5 đã đạt được điều này nhờ vi c nhân lên ở chủng Erwinia herbicola ATCC 2 198 8, chủng này thực hiện tốt bước một trong quy trình Shionogi, gen mã hóa cho vi c tổng hợp acid 2,5 diketogluconic reductase tách ra từ Corynebacterium sp. ATCC 31 090 . Gen này đã biểu hiện tốt trong tế bào chủ song quy trình cịn lâu mới có thể sử dụng cho sản xuất cơng nghiệp. Nồng độ glucose... này có tên là sự chuyển hố sinh học, nó bao gồm sự sinh trưởng của vi sinh vật trong những nỗi lên men lớn theo sau là sự bổ sung hoá chất cần được chuyển hoá tại một thời điểm thích hợp. Tiếp tục lên men thêm một thời gian nữa để vỉ sinh vật tác động lên hoá chất rồi tách chiết dịch lên men, và cuối cùng sản phẩm mong muốn được tinh khiết. Mặc dù về ngnn lý chuyển hố sinh học có thể được sử dụng... hormone nhất định. I. Sự chuyển hóa các steroid Vi c sử dụng vi sinh vật để thực hiện những sự chuyển hố steroid có ý nghĩa rất lớn trong công nghiệp dược phẩm. Steroid hormones điều chỉnh những trạng thái trao đổi chất khác nhau ở động vật kể cả ở người. Một trong những hormone đó, cortisone, có tác dụng làm giảm cơn đau có liên quan đến bệnh vi m khớp. Các dẫn xuất cortisone khác làm dịu các... Hình 9. 1: Sản xuất steroid bằng các biện pháp hoá học kết hợp với sự chuyển hoá vi sinh vật 188 hồn tồn do vậy q trình cũng cịn được gọi là sự oxygen hố khơng hồn tồn. Loại chuyển hố này có thể trải qua nhiều bước. Các đại diện của vi khuẩn acetic (Acetobacter, Gluconobacter) oxygen hoá không chỉ ethanol mà cả một phổ rộng các rượu bậc một và rượu bậc hai cũng như các polyol. Các loài vi. .. Hình 9. 8. Sự chuyển hoá D-glucose thành acid 2-keto-L-gulonic qua acid L-inonic b) Con đường acid 2,5-diketo-D-gluconic Con đường này , chủ yếu được nghiên cứu từ năm 197 0, gồm hai bước sinh hoá học : (1) oxygen hóa D-glucose thành acid 2,5-diketo-D- gluconic qua acid D-gluconic và acid 2-keto-D-gluconic ; (2) khử acid 2,5-diketo-D-gluconic thành acid 2-keto-L-gulonic (hình 9. 9). Bước một... Corynebacterium tạo ra 106 g/l 2- keto-L-gluconat canxi trong 66 giờ. 194 5. Giải phóng acid diacetone-2-keto-L-gulonic nhờ thuỷ phân. Giữa những năm 196 0 và 197 5 nhiều cơ sở nghiên cứu của Mỹ và Nhật đã tìm cách giảm số bước trong quy trình Reinstein bằng cách oxygen hóa trực tiếp D-sorbitol hay L-sorbose nhờ một kỹ thuật vi sinh vật thành acid 2-keto-L-gulonic khi sử dụng các chủng Acetobacter... hố sinh hóa học D-glucose thành acid 5-keto-D-gluconic qua acid D-gluconic ; (2) khử hóa học (hoặc sinh hóa học) acid 5-keto-D-gluconic thành acid L- idonic ; (3) oxygen hóa sinh hóa học acid L-iđonic thành acid 2-keto-L- gulonic (hình 9. 8). Phản ứng đầu tiên dễ dàng được thực hiện bởi Acetobacter suboxygendans. Chủng ATCC 621 đã chuyển hóa 100 g/l glucose trong 33 giờ với một sản lượng là 90 %.... hình que thẳng hoặc hơi cong 0,5-0,8 × 0 ,9- 4,2 μm, đứng một mình, thành cặp hoặc thành chuỗi có dạng khơng chuyển động và dạng chuyển động với tiên mao ở cực hoặc vòng quanh cơ thể. Chúng là bọn hiếu khí bắt buộc, một số tạo thành sắc tố, một số tạo thành cellulose. Người đầu tiên tìm cách phân loại các vi khuẩn acid acetic là Hansen (1 894 ). Ngày nay các vi khuẩn acid acetic mới phân lập được xếp . Chương 9 Các sản phẩm chuyển hóa Một trong những phát hiện có ý nghĩa quan trọng của vi sinh vật học công nghiệp là vi c nhận thức được rằng vi sinh vật. học hữụ cơ. Quá trình sử dụng vi sinh vật cho mục đích này có tên là sự chuyển hoá sinh học, nó bao gồm sự sinh trưởng của vi sinh vật trong những nỗi lên